畢業(yè)設計-----基于單片機控制的步進電機調(diào)速系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　基于單片機控制的步進電機調(diào)速系統(tǒng)的設計</p><p>　　2007年 06 月 02日</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　教研室主任簽字： 年 月

2、 日</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p>　　河南工程學院畢業(yè)（設計）論文中期進展情況檢查表</p><p>　　系部： 檢查日期： </p><p>　　河南工程學院畢業(yè)設計（論文）中期檢查匯總表（系部）</

3、p><p>　　系部： 填表日期： 年 月 日 第 頁</p><p>　　系部負責人簽字： </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）的評價意見</p><p>　　河南工程學院畢業(yè)設計（論文）答辯記錄表</p>

4、<p>　　記錄人： 年 月 日</p><p>　　河南工程學院優(yōu)秀畢業(yè)設計（論文）推薦表</p><p>　　教學部門（蓋章）： 填表日期： 年 月 日</p><p>　　屆畢業(yè)設計（論文）工作總結（教研室填寫

5、）</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性頻率來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速，因為步進電機每給一個脈沖就的誤

6、差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機的調(diào)速一般是改變輸入步進電機的脈沖的轉動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉速，從而實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。在本設計方案中采用AT89C51型單片機內(nèi)部的定時器改變CP脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步進電機的轉速進行控制，實現(xiàn)電機調(diào)速與正反轉的功能。</p>

7、<p>　　關鍵詞： </p><p>　　步進電機 單片機 調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Step-by-step electric motor is the ring opening gating element changing electric

8、ity pulse signal into angular displacement or line displacement. Under the situation of must overload, the electric motor rotation rate , discontinuous location depend on pulse signal frequency and pulse number only , ma

9、ke free from being loaded with the effect changing ,but be that being added a pulse signal , the electric motor by electric motor is to have rotated a step spur angle. This gleam of the sexual relatio</p><p>

10、;　　Key words：</p><p>　　Step-by-step Electric Motor Monolithic Machine Speed Regulation System</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前言······&

11、#183;····································

12、;····································

13、83;·······························1</p><p>　　第一章 步進電

14、機概述····································&

15、#183;····································

16、;··········2</p><p>　　第一節(jié) 步進電機的特點····················

17、3;····································&#

18、183;·····················2</p><p>　　第二節(jié) 步進電機的工作原理·········

19、;····································

20、83;··························2</p><p>　　第三節(jié) 步進電機的技術參數(shù)····

21、····································

22、3;·······························3</p><p>　　第四節(jié) 步進電機

23、詳細調(diào)速原理···································

24、3;·································4</p><p&g

25、t;　　第二章 硬件電路的設計··································

26、····································

27、3;·······5</p><p>　　第一節(jié) 單片機的選擇·······················

28、83;····································&

29、#183;···················5</p><p>　　第三章 軟件的設計···········&

30、#183;····································

31、;····································

32、83;7</p><p>　　第一節(jié) 顯示子程序的設計······························&

33、#183;····································

34、;·········7</p><p>　　第二節(jié) 鍵盤子程序的設計·····················

35、83;····································&

36、#183;·················8</p><p>　　第三節(jié) 驅動程序流程的設計············

37、3;····································&#

38、183;······················9</p><p>　　第四節(jié) 正反轉程序流程的設計·······

39、3;····································&#

40、183;·······················10</p><p>　　一、 正反轉程序流程圖·······

41、;····································

42、83;······························10</p><p>　　二、 轉速快慢程序流程

43、圖····································

44、83;··································11</p>

45、<p>　　三、 定時中斷流程圖·································

46、····································

47、3;·········12</p><p>　　第四章 實驗結果與分析·····················&#

48、183;····································

49、····················13</p><p>　　第一節(jié) 有關參數(shù)的計算與分析··········&

50、#183;····································

51、;·····················13</p><p>　　第二節(jié) 理論與實際的分析·········&#

52、183;····································

53、····························14</p><p>　　第五章 總結···

54、83;····································&

55、#183;····································

56、;····················15</p><p>　　參考文獻···········

57、3;····································&#

58、183;····································

59、·················16</p><p>　　致謝···············&

60、#183;····································

61、;····································

62、83;·····················17</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　把電脈沖信號變換成角位移以控制轉子轉動的

63、微特電機。在自動控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖信號，步進電動機前進一步，故又稱脈沖電動機。步進電動機多用于數(shù)字式計算機的外部設備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝置。 步進電動機的驅動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進電動機的運行性能決定于電機與驅動電源間的良好配合。主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進電動機已廣泛地應用于

64、數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉換裝置、數(shù)控機床、計算機外圍設備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設備等中亦有應用。</p><p>　　現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振

65、動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。</p><p>　　第一章 步進電機概述</p><p>　　第一節(jié) 步進電機的特點</p>

66、<p>　　1、步進電機控制容易，成本低，失去會引起控制誤差，轉速有限。</p><p>　　2、步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。</p>

67、<p>　　3、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。</p><p>　　4、步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高

68、于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。</p><p>　　第二節(jié) 步進電機的工作原理</p><p>　　步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固

69、定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。</p><p>　　第三節(jié) 步進電機的技術參數(shù)</p><p>　　步進電機的基本

70、參數(shù)如下：</p><p><b>　　1、空載啟動頻率</b></p><p>　　即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。</p>

71、<p>　　2、電機固有步距角 </p><p>　　÷÷它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，步進電機的步距角為兩相整步是1.8度 三相是0.6度 現(xiàn)在的步進電機都有細分的驅動器，細分數(shù)又決定的步距角例如兩相的步進電機驅動器為5細分步距角為1.8/5=0.36 3、 步進電機的相數(shù) 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用

72、的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。</p><p&g

73、t;<b>　　4、保持轉矩</b></p><p>　　是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說5N.M的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為5N.m的步進電機。

74、</p><p>　　第四節(jié) 步進電機詳細調(diào)速原理</p><p>　　一般電動機都是連續(xù)轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入肘步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖

75、輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。</p><p>　　通過延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉速，從而實現(xiàn)步進電的調(diào)速。具體的延時時間可以通過軟件來實現(xiàn)。</p><p>　　這就需要采用單片機對步進電機進行加減速控制,實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔,單片機控制步進電機加減法運轉可實現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種 ,軟件方法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸

76、出的頻率,其中延時的長短是動態(tài)的,軟件法在電機控制中, 要不停地產(chǎn)生控制脈沖, 占用了大量的CPU 時間,使單片機無法同時進行其他工作;硬件方法是依靠單片機內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的,在每次進入定時中斷后,改變定時常數(shù),從而升速時使脈沖頻率逐漸增大,減速時使脈沖頻率逐漸減小,這種方法占用CPU 時間較少,在各種單片機中都能實現(xiàn),是一種比較實用的調(diào)速方法。</p><p>　　第二章 硬件電路的設計</p>

77、<p>　　第一節(jié) 單片機的選擇 </p><p>　　本次設計以CPU選用89C5l作為步進電機的控制芯片．89C51的結構簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容MCS5l系列單片機的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)

78、標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p>　　1、單片機的引腳功能:</p><p>　　1）VCC（40）：電源+5V。</p><p>　　2）VSS（20）：接地，也就是GND。</p&g

79、t;<p>　　3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。</p><p>　　單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在XTL2上加外部時鐘信號（詳細的內(nèi)容將在以后的課程中專門介紹）。</p><p>　　4）PSEN（

80、29）：片外ROM選通信號，低電平有效。</p><p>　　5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。</p><p>　　6）RST/VPD（9）：復位信號輸入端/備用電源輸入端。 </p><p>　　7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇 端     

81、;                         </p><p>　　8）P0口（39-32）：雙向I/O口。9．P1口（1-8）：準雙向通用I/0口。</

82、p><p>　　9）P2口（21-28）：準雙向I/0口。</p><p>　　原理圖如2-1所示。</p><p>　　圖2-1 AT89C51的引腳圖 </p><p>　　系統(tǒng)原理圖如下所示。</p><p>　　圖2-2系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　第三章 軟件的設計</p&

83、gt;<p>　　第一節(jié) 顯示子程序的設計</p><p>　　顯示子程序如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 顯示程序流程圖</p><p>　　第二節(jié) 鍵盤子程序的設計</p><p>　　鍵盤程序流程圖如圖3-2所示</p><p>　　圖3-2 鍵盤程序流程圖</p>&l

84、t;p>　　第三節(jié) 驅動程序流程的設計</p><p>　　主程序流程圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 主程序流程圖</p><p>　　第四節(jié) 正反轉程序流程的設計</p><p>　　一、 正反轉程序流程圖</p><p>　　圖3-4 正反轉程序流程圖</p><p&g

85、t;　　二、 轉速快慢程序流程圖</p><p>　　3-5 轉速快慢程序流程圖</p><p><b>　　三、定時中斷流程圖</b></p><p>　　圖3-6 中斷子程序流程圖</p><p><b>　　實驗結果與分析</b></p><p>　　第一節(jié) 有關參

86、數(shù)的計算與分析</p><p>　　在單相三拍方式控制中，假如A相電源通電，B、C兩相都不通電，在磁場作用下，使轉子齒和A相的定子齒對齊。若此時為初始狀態(tài)，并設與A相磁極對齊的齒為0號齒，由于B相齒與A相齒相差120度。且不為整數(shù)。所以此轉子不能和B號齒對齊，只有13號小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3度，如果此時變?yōu)锽相通電，萬里A、C兩相不通電，則B相磁極迫使與13號齒對齊，整個齒就轉了3度，稱為一步。

87、步進電機就是以這種方式作為動力而轉動。</p><p>　　在單相三拍A-B-C-A通電一周，轉子轉動了9度。固步距角可用公式5-1表示：</p><p>　　其中為步距角，N為運行的拍數(shù)，為轉子的齒數(shù)。其中，</p><p>　　為控制的相繞阻，C在三拍中為1，在六拍中為2。</p><p>　　步距角的速度的控制是通過改變脈沖的時間間隔來

88、控制的。如果步進電機每轉20圈要2秒。則每進一步所在的時間為：計算公式如6-2所示：</p><p>　　可見只要輸出一個脈沖后延時再輸脈沖就可以達到自定的速度。本次設計在求的轉速范圍為0到，最高轉速時的精度為2%。功率為1W。</p><p>　　得：步進脈沖之間的延遲時間為。。</p><p>　　= 延遲時間在0到。精度是由步進電機的性能決定的。</

89、p><p><b>　　理論與實際的分析</b></p><p>　　從的公式看到,改變步進電動機步距的大小有三種方式:</p><p>　　1) 改變步進電動機的相數(shù)。步進電動機的相數(shù)越多、步距角就越小。</p><p>　　2) 與步進電動機的定、轉齒數(shù)有關。</p><p>　　3) 與定子控

90、制繞組的通電方式有關。要改變步進電機步距角的大小也只能通過這三種方式。設計中步進電機為三相，功率為1W。因步進電機的轉子上沒有繞阻而是由40個小齒均勻地分布在圓周上。定子的齒也是固定不變的，通電方式是選取用三相單三拍方式。可見步進電機的一但選定，其步距角就不能再改變了。要改變轉束也就只能通過脈沖之間的延時來改變。但對步進電動機的步距角的控制,可以實現(xiàn)對步進電動機的轉速精度控制。</p><p>　　但實際上步進電

91、機在用行時是帶有一定量的負載，當運轉時會存在許多誤差，同時因為負載的存在可能引起失步和震蕩。這就使步進電機不能按預定的規(guī)律運行，從而是很難達到轉速精度的要求。為準確測量電機的轉速穩(wěn)定度,須選用高精度測量儀器。光電編碼器因光電式數(shù)字輸出而更具抗干擾性強和處理簡便的優(yōu)勢。光電編碼器的分分辨率是決定著反饋的準確性與反饋的精度。也對步進電機的延時長短起到一定的作用?？梢妼嶋H與理論是有一定的差別的。</p><p><

92、;b>　　第五章 總 結</b></p><p>　　驀然回首，為期兩個多月的畢業(yè)設計就要結束了，在這漫長而又短暫之中，通過自己不斷地學習，不斷地努力與拼搏、不斷地對新知識的追求與索取、不斷地自我發(fā)現(xiàn)、感到自己的知識結構水平提出高了許多，對知識的掌握程度也加深了許多，對知識之間的相互聯(lián)系也有了更深的了解；通過不斷地提高自己的認識水平與能力、不斷地學習新方法、新思想、新的思維方式、不斷地改變自己

93、的人生觀和方法論、感到自己不但成長且成熟了許多；通過不斷地把課本知識應用于實際，不斷地把查閱到的資料與文獻中有用的東西應用于實現(xiàn)，不斷地把所學的理論與方法應用于設計之中，從而提高了自己理論聯(lián)系實際的能力。</p><p>　　在整個畢業(yè)論文設計的過程中我學到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學問要一絲不茍，對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要

94、一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的。在工作中要學會與人合作的態(tài)度，認真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事倍功半。</p><p>　　論文的順利完成，首先我要感謝我的指導老師雷萬忠老師以及周圍同學朋友的幫助，感謝他們提出寶貴的意見和建議。另外，要感謝在大學期間所有傳授我知識的老師，是你們的悉心教導使我有了良好的專業(yè)課知識，這也是論文得以完成的基礎</p><p&g

95、t;　　此次論文的完成既為大學三年上了一個完美的句號，也為將來的人生之路做好了一個很好的鋪墊。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張洪潤,藍清華. 單片機應用技術教程[M]，北京:清華大學出版社,1997；</p><p>　　[2] 秦曾煌. 電工學[M] . 北京:高等教育出版社,1999.<

96、/p><p>　　[3] 常斗南,等. 可編程序控制器原理、應用、實驗[M] . 北京:機械工業(yè)出版社,1998.</p><p>　　[4] 于海生,等. 微型計算機控制技術[M] . 北京:清華大學出版社,1999.</p><p>　　[5] 王福瑞,等. 單片機微機測控系統(tǒng)設計大全[M] . 北京:北京航空航天大學出版社,1998.</p><

97、;p>　　[6] 陳理壁. 步進電機及其應用[M] . 上海: 上?？茖W技術出版社,1989.</p><p>　　[7] 劉保延,等. 步進電機及其驅動控制系統(tǒng)[M] . 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997.</p><p>　　[8] 季維發(fā),過潤秋,嚴武升等. 機電一體化技術[M] .北京:電子工業(yè)出版社,1995.</p><p>　　[9] 郭敬

98、樞,莊繼東,孔峰. 微機控制技術[M] . 重慶:重慶大學出版社,1994.</p><p>　　[10] 劉國榮. 單片微型計算機技術[M] . 北京:機械工業(yè)出版社,1996.</p><p>　　[11] 王福瑞. 單片微機測控系統(tǒng)設計大全[M] . 北京:北京航空航天大學出版社,1998.</p><p>　　[12] 何立民. 單片機應用技術選編[M] .

99、 北京:北京航空航天大學出版社,1993.</p><p>　　[13] 潘新民等: 單片微型計算機實用系統(tǒng)設計[M] 北京: 人民郵電出版社, 1992.</p><p>　　[14] 王潤孝,秦現(xiàn)生編著1 機床數(shù)控原理與系統(tǒng)[M] 西北工業(yè)大學出版社,1997.</p><p>　　[15] 李伯成,侯伯李等編1IBM - PC 微機應用系統(tǒng)設計[M]西安電子科

100、技大學,1996.</p><p>　　[16] 黃義源主編. 機械設備電氣與數(shù)字控制[M]，中共廣播電視大學出版社,1992。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過兩個月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，對于自己的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起

101、工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。</p><p>　　在這里首先要感謝我的導師雷萬忠老師。雷老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從外出實習到查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，及繪制草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜煩瑣，但是雷老師仍然細心地糾正設計中的錯誤。除了敬佩雷老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極